JP5283619B2 - 往復動圧縮機の流量連続調節用装置 - Google Patents

Description

本発明は、往復動圧縮機に関し、特にこの圧縮機の流量を連続的に調節するための装置に関する。

流量を調節する方法にはさまざまな方法が考えられる：圧縮機の外部に設置する装置で、考え得るものとしては、オン・オフ動作、圧縮機を駆動するモーターの速度の変更、吐出と吸込み、また絞りとの間のバイパス、があり、圧縮機自体の一部を成す装置で考え得るものとしては、無負荷／負荷運転、逆流制御、及び定数であれ変数であれ、付加的なデッドスペースの導入がある。

付加的なデッドスペースによる調節は、シリンダーにデッドスペースを追加することにより、圧力弁の開口を遅延させることができ、それにより流量を減少させることができることでもたらされる；米国特許出願公開第２００２／００２５２６３（Ａ１）号明細書に示されるように、さまざまな容量のさまざまなデッドスペースを追加することにより多段調節を行うこともできれば、さまざまな容量のさまざまな付加的なデッドスペースをもちいることにより、連続的な（無段の）調節を行うこともできる。

無負荷／負荷運転は、流量の連続調節を行うことはできないが、システム内に貯蔵タンクが装備されていて、吐出圧の変動が許容される場合には適している；タンクの圧力は、ヒステリシス調節により制御する。一般には、空圧装置で構成されたアクチュエータにより行われ、これは、各弁に存在するボディ（プッシャー）に働きかけることにより、密閉素子を所定の位置（開）に維持することができるため、これにより圧縮機を無負荷にする（流量をゼロにする）ことができる；前述の装置が動作不能な場合、圧縮機は最大容量で動作する。

入口弁のプッシャーを作動させる空圧装置の作動の頻度は、ヒステリシスの大きさ、タンクの容積、及び流量の公称値とその負荷の最小流量との不均衡の最大値によってかわってくる；ただし、空圧装置で過度の摩耗を防ぐために、この数値を制限しなければならない。

このタイプの圧縮機流量制御を行うと、“無負荷運転”段階での全体的な効率と出力係数の減少を引き起こす；しかも、“無負荷運転”段階で発生した熱は消散しないため、密閉素子の温度が上昇する。最終的には、位置制御なしでのアクチュエータの使用、その応答時間及び立ち上がり時間の制限が、限られた断面とかなりデッドスペースをもつ長尺のパイプと一緒になり、これに移動と圧縮機シャフトとの同期化の欠如が加わると、密閉素子とプッシャーとの間に制御不能な速度での数多くの接触が生じることにより、これは弁の信頼性を減じ、プッシャーの磨耗と密閉素子の破損を引き起こす。

逆流の制御は、流量最大時に、閉鎖ポイントに対する入口弁の閉鎖を遅延することにより行う。シリンダーに入り込んだガスは、入口弁が開放され続ける間中、圧縮ストロークの部分に比例する数量だけ、入口ダクトに逆流する。

連続調節を使用すると、圧力の変動が事実上なくなるため、限られた容量の貯蔵タンクの使用が可能になる。弁の密閉素子の位置を制御するため、現在まで使用されている作動方法は、空圧式または油圧式のものである。

逆流の連続調節にもとづく装置の例として、米国特許出願公開第２００４／００９１３６５（Ａ１）号明細書及び米国特許第５９８８９８５号明細書に記載されているものがある。これらの装置では、ピストンに供給される流体に応じて、さまざまな作動システムを使用している。どちらのシステムも、作動に使用する流体の圧力調節用に、操作パネルを必要とする。

本発明は、そのため、弁構成部品の磨耗を制限する、本質的に単純な手段をもちいることにより、往復動圧縮機の流量の連続調節用の装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明では、往復運動をともない移動可能なピストン手段を摺動可能に挿入する、少なくとも１つの圧縮チャンバーと、流体を圧縮するための、少なくとも１つの入口弁と、圧縮流体が圧縮チャンバーから供給されるための、少なくとも１つの出口弁とを備えた装置であって、出口弁は圧縮流体の貯蔵タンクに接続されており、入口弁は、弁の密閉素子を直接押して前記弁（２）を開状態にする並進手段を備えており、並進手段は、密閉素子の平面に対して直角の方向に移動可能であり、また、適当な操作手段により、往復運動をともない前記方向に移動可能なアクチュエータ手段と作用し合い、操作手段は、アクチュエータ手段の両移動方向への変位速度を制御することを可能とし、アクチュエータ手段の位置を検出するための手段と、圧縮チャンバー内の前記ピストンの位置を検出するための手段と、タンク内の圧力を検出するための手段と、が装備され、検出手段と、アクチュエータ手段の操作手段とが、中央処理装置に接続されている、往復動圧縮機の流量の連続調節用装置、を提案する。

望ましい実施形態では、アクチュエータ手段の操作手段は電気機械的なものであり、また特に、ソレノイド２個を備えている。このアクチュエータ手段は、径方向に突出した磁化可能な部分を中心部に装備したロッドを含み、この部分は前述のソレノイドと作用し合い、また適当な弾性負荷手段を用いて、同ソレノイド間で平衡状態におかれる。ロッドの一方の端部は前述の密閉素子の並進手段に接続され、その他方の端部はその位置を検出するための手段と作用し合う。

例を通じて、また制限する意図は一切なしに、以下の添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に関する以下の詳細説明により、さらに利点及び特徴を明らかにする：

本発明の装置を装備した圧縮機の概略図である。 図１の圧縮機の入口弁の詳細を示した、部品の断面を示した、側面からの立面図である。 図２の長手方向の断面拡大図である。 本発明の別形の実施形態に関連する詳細断面図である。 時間の関数として弁が閉鎖状態から開放状態へと遷移する際の入口弁のアクチュエータの位置の変化を表わしたグラフである。 本発明の装置を装備した圧縮機に関連する圧力体積線図である。 信号の変動と、弁及びアクチュエータの密閉位置を示した一組の図である。

図１は、本発明による装置を装備した圧縮機を概略的に示したものである；１は、圧縮チャンバーは示す。チャンバー１は実質上円筒形であり、ロッド１１１により伝動軸２０に接続された複動ピストン１０１がこのチャンバーの内部へと挿入物され、伝動軸２０はプーリー２１及びベルト３３により、ギヤ付きモーターのシャフト３２にキー付けされたプーリー３１へと接続されている；シャフト２０には、中央処理装置４０に接続された、シャフト２０の位置を検出するためのセンサ４３が装備されている。チャンバー１には、２個の入口ポート２０１と２個の出口ポート３０１が装備されている；入口ポートは各々、自動弁２を備えており、アクチュエータ手段３を備えているが、アクチュエータ手段３については、後で詳しく述べ、また図で示す；アクチュエータ手段３上には、センサ４２と制御・モニタ手段４５が取付けられており、これらは次に中央処理装置４０に接続される。出口ポート３０１にも自動弁４が装備されており、圧縮流体はこれを通じて貯蔵タンクへと放出され、この圧力はセンサ４１によりモニタされ、このセンサ４１も中央処理装置４０に接続されており、これはオペレーターインターフェースモジュール４４も備えている。

図２は、入口弁アセンブリ２をより全面的に示したものである。この弁２は、チャンバー１のポート２０１に配置されており、これは、一方の端部に径方向フランジを装備し、これは固定手段１３２によりチャンバー１の外壁に接続されており、他方の端部にブッシュ１４２が装備して、これによりアクチュエータ手段３に接続されている、収容体１０２に収容されている。ポート２０１の内側には弁２の対向弁座２０２が配置され、これは流量用の通路２１２と密閉素子３０２用の弾性負荷手段２２２とを含み、これの通路３１２は対向弁座２０２の通路２１２と同軸となっている。密閉素子３０２の外側には弁座４０２が配置され、これの通路４１２は、密閉素子と対向弁座との通路からずらされて配置されている。プッシャー５０２の分岐５１２は前述の通路を通っており、プッシャーはポート２０１に対して軸方向に摺動可能であり、弁座４０２の突出軸に対して同軸に位置決めされる。プッシャー５０２の内部にはばね３４２があり、この一方の端部は軸３２２から突出したフランジ３３２にのしかかり、他方の端部はプッシャー５０２の閉鎖面５２２にのしかかっている。

アクチュエータ３から突出しているロッド１０３は軸方向に、閉鎖面５２２の外側に向いた面にのしかかっており、このロッドは、アクチュエータ３の全長を通り、実質上その中心部に、このロッド１０３にキー付けされている、磁化可能な材料で製造された円板形の可動部２０３を備えており、この可動部は２個のソレノイド３０３と４０３の間に配置され、一定の進路に沿って往復運動可能となっている。弾性負荷手段２１３及び２２３は、ロッド１０３のフランジ１１３及び１２３とそれぞれ作用し合っており、これはアクチュエータ３の内部に設けられている。

図３は、入口弁２のアクチュエータ３をより詳細に示したものである；同一の数字は同一の部品を示している。ロッド１０３は、プッシャー５０２と作用し合うよう意図された端部１３３（図２参照）と、ばね２１３と作用し合っているフランジ１１３を担持しており、それぞれ固定手段３２３及び４２３により各々のプレート３１３及び４１３上に支持されている２個のソレノイド３０３及び４０３の間に可動部２０３を支持するためにねじ１９３により部分１５３に結合されている部分１４３とを含む、相互に連結しあった複数の部分で構成される。アクチュエータ３は円筒体８０３を含み、この円筒体には径方向に、ソレノイド３０３、４０３の制御・モニタ・プローブが挿入物され、このプローブは図１で４０により示される中央処理装置に接続されている。入口弁２に向いている円筒体８０３の端部には、固定手段８１３により、ヘッド７０３が接続されており、このヘッドは、ばね２１３を収容するための空洞７２３を軸方向に備え、また弁２の弁座１０２のブッシュ１４２と作用し合うよう意図されたねじ付きシャンク７１３を装備している。シャンク７１３及び空洞７２３は同軸となっており、ロッド１０３の端部１３３が挿入物される導管７３３がこの双方を通るようになっている。

アクチュエータ３の円筒体８０３の反対側の端部は、ねじ付きのブロック５０３が挿入されるねじ付きの軸方向穴６１３を装備したキャップ６０３と、アクチュエータ内部に面している空洞５１３を有する前述のブロックと、この空洞に押し込まれるロッド１０３のフランジ１２３と作用し合うばね２２３と、そして、センサ４２と作用し合う、アクチュエータ３の外部に面している、ロッド１０３の端部１６３に接続されているプレート１７３を収容する空洞５４３とを含む。この２つの空洞は、ロッド１０３の端部１６３が通過する導管５３３を通して、つながっている。ブロック５０３の位置は、ロックボルト５２３により固定することができる。

図４は、本発明の別形の実施形態を示したものである；同一の数字は同一の部品を表わす。図では、ブロック５０３がブロック９０３に置き換えられており、ブロック９０３は、密閉手段９２３を備えたフランジ９１３を備えており、密閉手段９２３はキャップ６０３にのしかかり、前述のブロック９０３はキャップ６０３の内部へとねじ込まれる。ブロック９０３の内部のチャンバー９３３にはロッド１０３の端部１６３が貫入され、このチャンバーは、穴９４３とパイプ９５３を通じて、上述した弁の上流の環境とつながっている；チャンバー９３３はキヤップ、９６３により閉鎖される。

上述の図面と、図５〜７のグラフを特に参照して、以下の文章により、本発明による装置の動作を明確にする。導入部で述べたように、往復動圧縮機の流量調節における最も重要な問題の１つは、その開閉時間を変更するための、入口弁の密閉素子に作用を及ぼす手段の適切な制御の問題である。一定の指令に対するこれらの手段の応答時間と、それらが密閉素子に与える衝撃の度合いとは、入口弁の最適な動作を達成する上での、したがって、圧縮機の流量の最適な調節を達成する上での重要な要素である。

本発明による装置では、解決は、密閉素子の並進手段、この場合には弁２のプッシャー５０２に、密閉素子３０２の面に作用を及ぼす分岐５１２と、変位速度をその移動の両方向で制御することができるようにするような方法で動作するアクチュエータ手段とを与え、応答時間を大幅に削減することにより実現される。この場合、この動作は、ロッド１０３に固定された可動部２０３の変位を引き起こす２個のソレノイド３０３及び４０３により行われる。処理装置４０は、軸２０上に配置されたセンサ４３によりピストン１０１の位置を検出した後、ロッド１０３の運動を整合させる。図５のグラフに示すように、アクチュエータのロッド１０３は、図２に示すように可動部を最初からソレノイド４０３に取付けた状態で、弁の閉鎖状態から開放状態へと遷移する際、既に開放状態になっている密閉素子３０２に向ってかなり急速に移動する；この動作はその後著しくゆっくりになる。

空圧アクチュエータの可動部は、したがって入口弁のプッシャーも、空気の圧縮サイクルによって動作し、このため可動部の動作が非常にゆっくりであるため、プッシャーと弁の密閉素子間には一連の衝撃が生じる。電気機械的なアクチュエータの高速の遷移速度により、圧縮機の負荷サイクルの全てを、この動作サイクルの制限された一部の時間内に完了することが可能になり、その結果、弁座に対する密閉素子の衝撃の速度を制御することができ、またプッシャーと密閉素子間の一連の衝撃も回避することができる。

このため、密閉素子３０２の劣化を引き起こす応力係数を最少限のレベルにとどめながら、圧縮機の流量の調節が達成される；これは、密閉素子の表面とプッシャー５０２の分岐５１２との接触が常に非常に低速で行われるために、衝撃がかなり低い度合いにとどまるためである。加えて、中央処理装置はセンサ４２によりロッド１０３の位置を常に正確に確認しているため、ソレノイド３０３及び４０３への信号を、制御・モニタ・プローブ４５により、適切に調節することができる。アクチュエータ３のロッド１０３の位置はブロック５０３により調節することができるため、同様に、ソレノイド３０３と４０３間の距離もプッシャー５０２を作動させるために必要な移動によりうまく調節できることも指摘しておくべきであろう。

図４は、上述したロッド１０３の位置の調節システムに対する代案を提供する別形を示したものである。チャンバー９３３はロッド１３３の端部に加圧流体が存在するとき、可動部にかかる種々の力の間で平衡状態を維持する；このチャンバー９３３は、パイプ９５３により当該の弁の環境の上流へと接続されており、プッシャーと接触してロッド１３３の末端部が浸される、この弁の上流環境の圧力変動の効果を相殺することが可能である。入口径と出口径が異なるために、ロッド１０３の断面積と等しい断面積が保証され、その結果、ロッドにかかる力がゼロになるからである。

図６は、往復動圧縮機のＰＶ線図に連続調節の効果を示したものである；圧縮開始時に入口弁の開放状態を維持すると、最大流量の運転と比較して（線図Ａ）、機械の流量を減らすことができる（線図Ｂ）。

“無負荷／負荷”タイプの多段調節を備えた往復動圧縮機の運転について、図７に、センサ４３から得られる信号の変動（線図Ｃ）と、機械を無負荷に切り替えるための信号（線図Ｄ）と、弁の密閉素子の位置（線図Ｅ）とアクチュエータ３の可動部の位置（線図Ｆ）を表示する信号を示した。

アクチュエータの可動部の位置決めは、シリンダー内部の高圧により引き起こされる高接触力を避けるため、信号（Ｄ）の立ち上がり端でではなく、センサ４３からの信号（Ｃ）の端部で開始される；この状況では、プッシャーと密閉素子間の衝撃による接触圧がないため、入口弁は既に開放されている。

同様に、アクチュエータのロッドが戻る際には、戻り速度が制限されているため、空圧アクチュエータの場合に起きるような現象は回避される；空圧アクチュエータの可動部は、したがって入口弁のプッシャーも、空気の圧縮サイクルによって動作し、このため可動部の動作が非常にゆっくりであるため、プッシャーと弁の密閉素子間には一連の衝撃が生じる。電気機械的アクチュエータの高速の遷移速度により、圧縮機の負荷サイクルの全てを、この動作サイクルの制限された一部の時間内に完了することが可能になり、その結果、弁座に対する密閉素子の衝撃の速度を制御することができ、またプッシャーと密閉素子間の一連の衝撃も回避することができる。

１、９３３：チャンバー
２：入口弁
３、１０３、２０３：アクチュエータ手段
４：出口弁
１０：貯蔵タンク
２０：伝導軸
２１、３１：プーリー
３２：シャフト
３３：ベルト
４０：中央処理装置
４１、４２、４３、５２３：手段
４４：モジュール
４５：モニタ手段
１０１：ピストン手段
１０２：収容体
１１１：ロッド
１１３、１２３、３３２、９１３：フランジ
１３２、３２３、４２３、８１３：固定手段
１３３、１６３、１７３：
１４２：ブッシュ
２０１：ポート
２０２、４０２：便座
２１２、４１２：通路
２１３、２２２、２２３：弾性負荷手段
３０１：出口ポート
３０２：密閉素子
３０３、４０３：操作手段
３１３、４１３：プレート
３２２：軸
３４２：ばね
５０２、５１２、５２２：並進手段
５０３：可動体
５３３：導管
５４３、７２３：空洞
６０３、９６３：キャップ
６１３、９４３：穴
７０３：ヘッド
７１３：シャンク
８０３：円筒体
９０３：プロック
９２３：密閉手段
９５３：パイプ

Claims (3)

1. 往復運動をともない移動可能なピストン手段（１０１）を摺動可能に挿入する、少なくとも１つの圧縮チャンバー（１）と、流体を圧縮するための、少なくとも１つの入口弁（２）と、前記圧縮流体が前記圧縮チャンバー（１）から供給されるための、少なくとも１つの出口弁（４）と、を備え、
   前記出口弁（４）は前記圧縮流体の貯蔵タンク（１０）に接続されており、
   前記入口弁（２）は、前記弁（２）の密閉素子（３０２）を直接押して前記弁（２）を開状態にする並進手段（５０２、５１２）を備えており、
   前記並進手段（５０２、５１２）は、前記密閉素子（３０２）の平面に対して直角の方向に移動可能であり、また、適当な操作手段（３０３、４０３）により、往復運動をともない前記方向に移動可能なアクチュエータ手段（３、１０３、２０３）と作用し合う、往復動圧縮機の流量連続調節用装置であって、
   前記アクチュエータ手段（３、１０３、２０３）の前記操作手段（３０３、４０３）は、電気機械的な手段であり、ロッド（１０３）を含み、前記ロッド（１０３）の一方の端部（１３３）が、前記並進手段（５０２、５１２）を介して前記密閉素子（３０２）を引っぱることはできず、押すことのみが可能な構造であり、前記ロッド（１０３）の他方の端部（１６３，１７３）はその位置を検出するための手段（４２）と作用し、また前記ロッド（１０３）は径方向に突出した磁化可能な可動部（２０３）を中心部に備え、前記可動部は、２個のソレノイド（３０３、４０３）と作用し合い、前記アクチュエータ手段（３、１０３、２０３）の軸に平行な方向に、前記アクチュエータ手段（３、１０３、２０３）のそれらの両方の移動方向への変位を制御するため、弾性負荷手段（２１３、２２３）と、前記アクチュエータ手段（３、１０３、２０３）の位置を検出するための前記手段（４２）を用いて、前記ソレノイドとの間のあらかじめ決められた位置に配置され、
   前記圧縮チャンバー内でのピストンの位置を検出するための手段（４３）をさらに含み、前記タンク内の圧力を検出するための手段（４１）が装備されており、前記検出手段（４２、４３、４１）ならびに、前記アクチュエータ手段（３、１０３、２０３）の前記操作手段（３０３、４０３）が中央処理装置（４０）に接続されていることを特徴とする、装置。
   
2. 前記ロッド（１０３）に対して調節可能な方法で前記弾性負荷手段（２１３、２２３）に負荷が掛けられ、前記弾性負荷手段の前記調節手段が、前記弾性負荷手段（２２３）と接触する、前記弁２に面する端部と反対側の、前記アクチュエータ手段（３）の端部に配置されている可動体（５０３）を含み、前記可動体（５０３）をロックするための手段（５２３）が備えられている、請求項１に記載の装置。
   
3. 前記調節手段が、前記並進手段（５０２、５２２）と作用し合う前記端部（１３３）と反対側の前記ロッド（１０３）の前記端部（１６３）が挿入されるチャンバー（９３３）を含み、前記チャンバーは、前記弁（２）の上流側の環境との間で流体のやりとりが行われる（９４３、９５３）、請求項２に記載の装置。

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